explicação do pinch

Captulo 9 Integrao de Processos: Uma Ferramenta para Minimizar o Consumo Energtico e o Impacto Ambiental *

SUMRIO: Integrao de Processos uma forma eficiente da indstria aumentar sua produtividade atravs da reduo no consumo de energia, gua e matria-prima, reduo em emisses de gases e na gerao de rejeitos. Em vista disso, este texto tem como objetivo apresentar uma viso geral da Integrao de Processos (IP). Ele contm uma breve introduo com a definio e o estado atual da Integrao de Processos, apresenta as possveis aplicaes da IP, um mtodo para a recuperao de energia em processos contnuos baseado na Tecnologia Pinch e o mtodo do Diagrama de Fontes de gua para a minimizao de efluentes aquosos. Finalmente, o texto mostra as expectativas para o futuro da rea de Integrao de Processos.

I. Introduontegrao de Processos (IP) um termo novo que surgiu nos anos 80 e tem sido extensivamente utilizado desde os anos 90 para descrever certas atividades orientadas para um sistema, no contexto dos processos qumicos. Este termo pode assumir diversos significados. Ele pode ser aplicado para um simples trocador de calor que recupera energia de uma corrente de produto em um processo, para a recuperao de calor rejeitado de uma turbina a gs, para a campanha tima do uso de uma reator, para a integrao de um nmero de unidades de produo em uma refinaria de petrleo ou para a integrao completa de um complexo industrial. A definio da IP usada pela Agncia Internacional de Energia (International Energy Agency) (Gundersen, 2002) :*

Por Eduardo Mach Queiroz e Fernando Luiz Pelegrini Pessoa

Captulo 9 Integrao de Processos: Uma Ferramenta para Minimizar o Consumo Energtico e o Impacto Ambiental

Consiste de Mtodos Gerais e Sistemticos para o Projeto de Sistemas Integrados de Produo, desde Processos Individuais at Complexos Industriais, com nfase especial no Uso Eficiente da Energia e na reduo dos Efeitos ao Meio Ambiente. Esta definio faz a IP bem prxima da Sntese de Processos, que outra rea orientada para o sistema. A IP e a Sntese de Processos pertencem Engenharia de Processos, grande rea que aplica princpios da Engenharia de Sistemas aos processos qumicos e correlatos. No presente texto so apresentados mtodos desenvolvidos na UFRJ, especificamente em relao Integrao de Processos, embora existam uma variedade de mtodos disponveis na literatura.

I.1 Estado Atual da IP (Gundersen, 2002)Integrao de Processos (IP) um campo que vem crescendo fortemente na Engenharia de Processos. Ele pertence atualmente ao currculo padro para os engenheiros de processo nos cursos de Engenharia Qumica e Engenharia Mecnica na maioria das universidades do mundo, podendo aparecer como um tpico separado ou como parte integrante de disciplinas de Engenharia de Processos ou Sntese de Processos. Na UMIST (Manchester, UK), existe um Departamento de Integrao de Processos. A pesquisa em IP na UMIST tem mais de 15 anos com apoio de um grande nmero de indstrias atravs de um Convnio estabelecido em 1984. Foram identificadas cerca de 35 outras universidades ao redor do mundo que desenvolvem pesquisa nesta rea. A Recuperao de Calor, isto , a Integrao Energtica, foi o foco inicial da Integrao de Processo. Durante os ltimos anos da dcada de 80 e ao longo dos anos 90, o seu escopo foi expandido consideravelmente, passando a cobrir os diversos aspectos da Engenharia de Processos. O fator chave desta expanso foi o uso dos conceitos bsicos utilizados na Integrao Energtica em outras reas, por analogia. Por exemplo, o uso destes conceitos para estudar redes de equipamentos de transferncia de massa em geral e em particular no gerenciamento de gua em processos.

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Ferramentas apropriadas, tal como programas computacionais com resultados reais e de fcil utilizao, so a chave para o desenvolvimento das propostas da IP pelos engenheiros de processos e, consequentemente, para a sua aplicao industrial. H programas atualmente que cobrem uma grande faixa de problemas e de reas da IP. Sua qualidade varia desde produtos comerciais de alto padro, sendo utilizados rotineiramente pelas indstrias, at prottipos desenvolvidos em universidades, com principal foco na pesquisa. Alguns destes programas esto disponveis livre de pagamento. Existe um aumento na cooperao internacional para o desenvolvimento da IP. Um projeto no mbito da IEA (Agncia Internacional de Energia) conta, atualmente, com sete pases (Canad, Dinamarca, Finlndia, Sucia, Sua, Portugal, Reino Unido). O Brasil foi oficialmente aceito para participar em 2003, estando atualmente em andamento a indicao da UFRJ como seu representante. Em diversos pases e mesmo em nvel da Comisso Europia, observa-se que os Programas de Pesquisa e Desenvolvimento esto destinando fundos para a pesquisa em IP, fato que indica a sua importncia. Enquanto no passado a rea de IP normalmente ocupava uma ou duas sesses em congressos, hoje ela tem congressos em separado com enfoque especfico em Integrao de Processos. Concluindo, a Integrao de Processos evoluiu a partir da metodologia de Integrao Energtica nos anos 80 para tornar-se ferramenta fundamental para as indstrias, sendo hoje A Principal Estratgia para a Tecnologia de Planejamento e de Projeto. Com esta tecnologia possvel reduzir significativamente o custo operacional de plantas existentes, enquanto os novos processos podem ser projetados com reduo nos custos operacionais e de investimento.

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I.2 Da Histria para o Futuro (Gundersen, 2002)A Engenharia de Processos evoluiu atravs de diferentes geraes. Originalmente (primeira gerao), as invenes eram baseadas em experimentos realizados por qumicos nos laboratrios, que faziam testes em plantas pilotos antes de construir a planta industrial. A segunda gerao da Engenharia de Processos foi baseada no conceito de Operaes Unitrias, que atuavam como blocos/unidades a serem agrupados em seqncia pelo engenheiro. A terceira gerao olha a integrao entre estes blocos/unidades; por exemplo, preocupando-se com a recuperao de calor entre as correntes de um processo qumico para economizar energia. A forte tendncia hoje, representando a quarta gerao, sair das Operaes Unitrias e focar no Fenmeno. Os processos com base nos conceitos das Operaes Unitrias tendem a ter muitas unidades de processo com arranjos de tubulao complexos entre as unidades. Permitindo a ocorrncia de mais de um fenmeno (reao, transferncia de calor, transferncia de massa, etc.) em um mesmo equipamento, economia significativa foi observada nos custos de investimento e nos custos operacionais (matria-prima e energia). A maioria das aplicaes industriais a partir desta concepo tem tido como base a tentativa e erro. Cabe ressaltar que esta nova tendncia representa uma importante mudana no paradigma da Integrao de Processos, pois a integrao no mais ser feita entre as unidades, mas sim em seu interior.

I.3 Mtodos na IP (Gundersen, 2002)As trs principais ferramentas para os mtodos de Integrao de Processos so as regras heursticas (experincia) sobre projeto e economia, os conceitos da termodinmica e a utilizao de tcnicas de otimizao matemtica. Existe uma interao/interseo significativa entre os vrios mtodos de IP e a tendncia hoje que eles utilizem as trs ferramentas mencionadas. O grande nmero de alternativas estruturais em problemas da Engenharia de Processos (e da Integrao de Processos) significativamente reduzido pelo

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uso de heursticas e conceitos termodinmicos, tornando-se esto vivel a anlise dos problemas remanescentes, com seus mltiplos compromissos entre parmetros e critrios econmicos, com tcnicas de otimizao. Dentre mtodos hoje consagrados, vlido dizer que a Anlise Pinch e a Anlise de Exergia so mtodos com base na termodinmica. A Anlise Hierrquica de Sistema utilizando Base de Conhecimentos uma abordagem baseada em regras heursticas, com a habilidade de tratar conhecimentos qualitativos ou difusos. Por outro lado, as tcnicas de Otimizao podem ser divididas em Mtodos Determinsticos (Programao Matemtica) e Mtodos No-determinsticos (Mtodos de Busca Estocstica como o Algoritmo Gentico). Uma classificao sugerida dos mtodos de Integrao de Processos pode ser vista na Figura 1, que uma representao em duas dimenses dos mtodos automticos vs. interativos vs. quantitativos vs. qualitativos. A Anlise Hierrquica colocada no meio da figura para indicar que todos os mtodos de projeto so, ou deveriam ser, baseados nesta idia de modo a tornar o problema completo de projeto tratvel por mtodos sistemticos.

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II. reas de Aplicao da Integrao de ProcessosA Integrao de Processos foi definida como um conjunto de mtodos gerais e sistemticos para o projeto de sistemas integrados de produo. A sua aplicao envolve diversas facetas do processo. Por exemplo, a reduo do consumo de energia atravs da Integrao Energtica normalmente acompanhada do aumento dos custos de investimento, o que leva a busca do valor timo do custo total. Os mtodos de Integrao de Processos permitem ainda que as indstrias reduzam o custo de equipamentos para um nvel de energia especificado. qualitativo

Base de Conhecimento automtico

Regras Heursticas interativo

Anlise Hierrquica

Mtodos de Otimizao

Mtodos Termodinmicos

quantitativo Figura 1: Possvel base para classificao de Mtodos da Integrao de Processos A Integrao de Processos tambm pode afetar a utilizao de matria-prima, pois com o aumento da recuperao de calor, pode haver um aumento de reciclo no processo. Aumentando o reciclo, pode haver uma reduo da converso no reator e melhora na seletividade da reao, reduzindo assim a formao dos subprodutos Desta forma, a

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matria-prima pode ser utilizada para maximizar o rendimento de um produto desejado sem a perda em correntes de processo menos valiosas. As reas tpicas de aplicao da Integrao de Processos nas indstrias so listadas a seguir: i. ii. iii. iv. v. vi. vii. viii. ix. x. xi. Planejamento, Projeto e Operao de Processos e Sistemas de Utilidades; Planejamento de campanha a curto prazo e estratgico a longo prazo; Novos projetos e vrios Projetos de Melhoramentos de Processo (Retrofit); Melhoria da eficincia (matria-prima e energia) e produtividade (desengargalamento); Processos contnuos, bateladas e semi-contnuos; Todos os aspectos dos processos, como reatores, separadores e rede de trocadores de calor; Integrao entre o processo e o sistema de utilidades; Integrao nos e entre os complexos industriais, Estaes de Energia e Sistema de aquecimento/resfriamento das cidades; Caractersticas Operacionais de Processos (flexibilidade, controlabilidade e resilincia); Minimizao de efluentes aquosos e de gua em processos; Vrios aspectos na Reduo de Emisses.

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III. Recuperao de Calor em Processos ContnuosA Sntese de Redes de Trocadores de Calor (SRTC), pertencente a grande rea dos Sistemas de Integrao Energtica, o campo de estudos que mais se desenvolveu no contexto da Engenharia de Processos (Integrao de Processos) devido ao aumento do custo da energia durante as dcadas de 70 (crises do petrleo) e 80 e, agora, devido globalizao da economia, que tem levado as empresas busca incessante da diminuio de custos de modo a conseguirem preos competitivos. Um processo industrial tpico contm de 30 (trinta) a 80 (oitenta) correntes que necessitam de resfriamento e/ou aquecimento (Gundersen e Naess, 1988). Em virtude disso, a SRTC se torna um problema muito complexo tendo em vista o grande nmero de possveis combinaes entre as correntes quentes (aquelas que devem ser resfriadas e podem ceder energia) e as frias (aquelas que devem ser aquecidas e necessitam de energia). Alm do problema combinatorial, h de se destacar vrios outros, tais como: - as propriedades fsicas das correntes podem depender da temperatura de forma significativa; - h diversas possibilidades de escolha do tipo de material de construo, da configurao de escoamento e do tipo de trocadores de calor; - h combinaes que so proibidas, ou obrigatrias, de modo a garantir aspectos de operacionalidade, flexibilidade, segurana e controlabilidade; - o aumento da integrao entre correntes gera dificuldades de controle da rede; - pode haver limitaes quanto queda de presso nas correntes etc.

III.1 O Problema da Sntese de Redes de Trocadores de Calor - SRTCNos problemas de Sntese de Redes de Trocadores de Calor (SRTC), inicialmente a reduo no consumo de energia era o principal objetivo, mas, atualmente o que se busca 8


minimizar o Custo Total Anual (CTA) da rede. Isto , busca-se a gerao de uma estrutura de rede que apresente a melhor relao entre o custo operacional (consumo de utilidades quente e fria) e o custo fixo (unidades de troca trmica). A busca deste ponto timo pode ser orientada pela determinao de metas que indicam a direo a ser seguida. Elas nem sempre so alcanadas e, quando as so, geralmente no coexistem. Essas metas so: - consumo mnimo de utilidades; - rea global mnima de troca trmica; - nmero mnimo de unidades de troca trmica. Westbrook (1961) e Hwa (1965), usando programao matemtica e uma superestrutura contendo configuraes promissoras para a estrutura de rede, esto entre os primeiros que tentaram resolver o problema da SRTC. Porm, os que deram impulso ao estudo foram Rudd (1968), Hohmann (1971) e Hohmann e Lockhart (1976). Revises da histria da SRTC podem ser encontradas em Nishida et al. (1981), Gundersen e Naess (1988), Linnhoff (1993) e, recentemente no trabalho bem completo de Furman e Sahinidis (2002). Os trabalhos em SRTC podem ser divididos entre duas abordagens, cujas principais caractersticas so apresentadas, resumidamente, a seguir: Abordagem Termodinmica-Heurstica-Evolutiva, ATHE So mtodos que aliam a adoo de conceitos da termodinmica com a utilizao de Regras Heursticas. O procedimento de sntese nesses mtodos pode ser dividido em duas etapas seqenciais: 1 Etapa - Sntese de uma rede inicial de trocadores de calor que, dependendo do mtodo utilizado, pode apresentar consumo mnimo de utilidades; 2 Etapa - evoluo estrutural da rede inicial visando a minimizao de seu Custo Total Anual. Via de regra essa evoluo orientada atravs da identificao e quebra de ciclos.

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Nesse conjunto, os mtodos diferem entre si quanto forma de gerao (regras utilizadas) da rede inicial. Como principais vantagens e desvantagens destes mtodos, pode-se citar: - vantagens: facilidade de aplicao; permitem a influncia do projetista, quando necessria e desejada, ao longo das etapas de sntese da rede inicial e de sua evoluo; - desvantagens: no garantem a obteno do timo global. O principal mtodo desta abordagem o Mtodo Pinch (Mtodo do Ponto de Estrangulamento Energtico (MPE), Linnhoff e Hindmarsh, 1983). Abordagem via Tcnicas de Otimizao, AMO Aqui os mtodos so divididos em determinsticos e no-determinsticos, como j comentado. Os determinsticos, representados pelos mtodos que utilizam a Programao Matemtica, podem ser divididos em seqenciais e simultneos. Os seqenciais dividem o problema em trs subproblemas: determinao do mnimo consumo de utilidades, que um problema linear; determinao do nmero mnimo de unidades, problema linear inteiro; otimizao de uma superestrutura que contemple os resultados dos dois problemas anteriores, que de acordo com o mtodo para clculo das reas de troca trmica pode representar um problema no-linear inteiro misto. Na abordagem simultnea, uma superestrutura mais complexa usada desde o incio, sendo a soluo obtida atravs de um nico algoritmo no-linear inteiro misto, agora utilizado em um universo de solues viveis muito maior. Como principais vantagens e desvantagens dos mtodos baseados em Programao Matemtica, pode-se citar: - vantagens: dependendo do tipo de problema e do mtodo de otimizao utilizado, o timo global pode ser atingido; podem incorporar todos os tipos de restries; 10


- desvantagens: no permitem a influncia do projetista ao longo do clculo; a modelagem (superestrutura) e a sua resoluo crescem em dificuldade conforme o aumento do nmero de correntes de processo, de varveis consideradas e das restries incorporadas; sensveis, como qualquer mtodo de otimizao, ao ponto inicial. Os Mtodos No-determinsticos representados pelos Mtodos de Busca Estocstica, como por exemplo o Algoritmo Gentico, ainda no so utilizados to intensamente na rea como os anteriormente citados. Os estudos envolvendo Redes de Trocadores de Calor ainda podem, de acordo com o objetivo a ser alcanado, ser divididos em Sntese de Novas Redes e Reprojeto (Retrofit) de redes existentes. Nos dias de hoje, o projeto de novos processos j leva em considerao os conceitos sobre integrao energtica durante a sua Sntese, de forma que o custo com energia e, consequentemente, o CTA possam ser reduzidos. Porm, como a maioria dos processos antigos no seguiram esses conceitos, eles normalmente apresentam elevados nveis de consumo de energia. Com o intuito de reduzir esses nveis, esses processos devem sofrer algumas modificaes estruturais (retrofit), que por sua vez representam aumentos no custo fixo (novas reas de troca trmica, novas tubulaes etc.). Este comportamento fruto do conhecido compromisso (trade-off) entre os custos operacional e fixo. Trabalhos voltados para o retrofit de redes existentes so publicados desde o final dcada de 80 (Linnhoff e Withrell, 1986; Tjoe e Linnhoff, 1986), a maioria utilizando as ferramentas da ATHE. Na dcada de 90, alguns trabalhos baseados na AMO foram desenvolvidos (como o de Ciric e Floudas, 1990, e mais recentemente o de Mizutani, 2003), os quais utilizam o conceito de superestrutura e resolvem o modelo formulado por programao no-linear inteira mista (MINLP). Alguns outros trabalhos (Asante e Zhu, 1996; Briones e Kokossis, 1996) propuseram mtodos que combinam ferramentas das duas abordagens, o que diminui a complexidade da formulao, mas no elimina os problemas numricos tpicos destes mtodos.

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III.2 Integrao Energtica na PlantaPlantas de processo so normalmente divididas em regies logicamente identificveis, cada uma tendo uma tarefa de processamento. Tal diviso se torna necessria quando se consideram caractersticas prticas da planta como operacionalidade, flexibilidade, segurana, lay-out etc. Estas regies funcionam, portanto, como reas autnomas (reas de integridade). O estudo sobre a integrao energtica entre essas reas foi, por muito tempo, relegado por vrias razes, entre elas, a de que, justamente por estarem afastadas, os custos de tubulao e bombeamento seriam bastante elevados. Uma outra alegao contrria utilizada o fato de que as diversas plantas tm esquemas de partida e parada diferentes, o que introduz uma maior complexidade ao estudo. No obstante estas dificuldades, alguns poucos trabalhos trataram do problema da integrao energtica entre essas reas de integridade e tambm da introduo de outros equipamentos, alm de trocadores de calor, no sistema de integrao. Ahmad e Hui (1991) trataram da integrao das reas de integridade. Mostram a possibilidade de predizer o consumo mnimo de energia para sistemas integrados, o qual pode ser atingido atravs de vrios esquemas para a troca de energia entre as reas. Desta forma a tarefa identificar, dentre esses esquemas, aqueles que oferecem a mxima integridade entre as reas (mnimo de inter-conexes) quando se busca o consumo mnimo global de energia. Outros autores como Glavic e Novak (1993) e Homsak e Glavic (1995) estendem conceitos utilizados na anlise de uma planta para esses sistemas, usando como exemplo a sua utilizao em sistemas reais. Marechal e Kalitventzeff (1996) propuseram uma nova tcnica que mistura Programao Matemtica e ferramentas da Tecnologia Pinch. Propem uma nova definio para as curvas compostas, que permite a avaliao da integrao do sistema de utilidades, incluindo aspectos de potncia e calor combinados. Rodera e Bagajewicz (1999), usando a Anlise Pinch, argumentam que a eficincia na reduo do consumo de energia conseguida quando a transferncia de energia de uma rea de integridade para outra realizada entre as temperaturas pinch de cada rea. Em

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alguns casos, entretanto, a transferncia de energia externa necessria para se atingir a mxima recuperao (integrao energtica assistida).

III.3 Evoluo do Assunto em Nvel NacionalNo Brasil, alguns pesquisadores vm trabalhando no problema de Integrao Energtica, e em especial na SRTC, desde o final da dcada de 80. Nesse item so apresentados alguns destes trabalhos, como objetivo de mostrar a sua evoluo nos grupos brasileiros. Castier e Rajagopal (1988), usando o conceito de exergia, efetuaram uma anlise exergtica de uma destilaria autnoma que produz lcool a partir de cana-de-acar. Rossi e Bannwart (1992) apresentaram uma anlise baseada no MPE no projeto e avaliao de sistemas para a recuperao de calor em processos, propondo um novo algoritmo para a sntese das redes e usando como exemplo a sua aplicao em plantas de pr-aquecimento de leo cru. Ravagnani (1994) em, possivelmente, o primeiro trabalho de doutorado na rea no Brasil, desenvolve um mtodo de sntese baseado no MPE, incorporando um mtodo de projeto dos trocadores baseado no Mtodo Bell-Delaware, organizado de acordo com a Tabela de Contagem. A evoluo da rede inicial com mnimo consumo de utilidades efetuada usando os critrios de Su e Motard (1984), com a quebra de ciclos sendo efetuada sem a realizao da restaurao do DMT (Diferencial Mnimo de Temperatura), quando este violado (Ravagnani et al., 1994a). Ravagnani et al. (1994b) apresentaram um estudo sobre a aplicao do conceito de Ponto de Estrangulamento Inverso (Trivedi et al., 1989) para problemas com dois PEs. Oliveira (1995) e Oliveira et al. (1996b) apresentaram, baseados no trabalho de Jegede e Poley (1992), uma metodologia para projetar os trocadores de calor de forma direta. As diferenas entre esses trabalhos e o de Ravagnani (1994), alm da forma de projetar a unidade, so trs: a sntese da rede foi feita apenas com regras heursticas, no houve identificao e quebra de ciclos e, a mais importante, o projeto efetuado simultaneamente

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sntese, ou seja, aps cada seleo de combinao. No obstante, nenhum dos trs trabalhos verificou a influncia que alguns limites de viabilidade de projeto podem ter, tanto na etapa de sntese da rede, quanto na etapa de evoluo estrutural. Oliveira et al. (1996a) compararam duas metodologias de projeto de unidades de troca trmica - mtodo iterativo e mtodo direto - com o objetivo de selecionar o mtodo mais adequado para ser utilizado na SRTC. Os autores concluram que o mtodo iterativo gera resultados bastante precisos, contudo necessita de maior esforo computacional e da interferncia do projetista, e que o mtodo direto (Jegede e Poley, 1992), apesar de simples, pode levar distores em relao s especificaes de projeto. De forma a tentar diminuir tais distores, os autores propuseram a troca da equao para o clculo do dimetro do casco, utilizando uma equao apresentada por Sinnott (1993). Faria e Zemp (1996) propuseram um novo procedimento para a otimizao da eficincia energtica de colunas de destilao. Ele baseado na anlise da distribuio das foras motrizes ao longo da coluna, utilizando o conceito de exergia, e calcula a contribuio de cada estgio para a ineficincia termodinmica total da coluna. Guimares et al. (1996a) realizaram a anlise energtica de uma unidade de destilao azeotrpica heterognea, com reao qumica, em operao. Guimares et al. (1996b) utilizaram os conceitos da integrao energtica para minimizar o consumo de utilidades na sntese de um sistema de separao gua-etanol por destilao azeotrpica. Liporace (1996) e Liporace et al. (1996), dentro do contexto da MPE, apresentaram uma metodologia para a sntese da rede, envolvendo as regies ao redor e afastada do PE. Esta metodologia est baseada em uma restrio da regra do MPE que trata da relao entre as taxas de capacidade calorfica das correntes que chegam e partem do PE. Os autores verificaram que a aplicao indiscriminada da regra original da TPE proposta por Linnhoff et al.(1982) pode levar, em determinados casos, problemas de carga trmica e temperatura na sntese afastada do PE. Esses ocasionam a necessidade de utilizao de uma utilidade proibida (fria, na regio acima do PE, e quente, na regio abaixo do PE) para fechar o balano energtico, ou seja, um consumo maior do que o mnimo previamente determinado. A nova regra proposta indica que quando a taxa de capacidade calorfica da corrente que 14


chega ao PE for menor que a da corrente que parte do PE, esta ltima dividida, gerandose um par de troca com iguais taxas de capacidade calorfica. Desta forma, a regra original do MPE respeitada, mas se mantm, no conjunto de correntes restantes, correntes com nveis adequados de temperatura. Para a sntese afastada do PE, os autores utilizaram regras heursticas (Ponton e Donaldson, 1974 e Rudd et al., 1973). Liporace et al. (1997) apresentaram um mtodo para a sntese automtica de redes usando a metodologia proposta em 1996. Mdenes e Ravagnani (1996) estudaram o problema de SRTC para diversas perodos de operao (redes flexveis). Eles utilizaram o MPE para sintetizar uma rede para um perodo de operao (caso base) e realizaram uma anlise de flexibilidade para obter a rea final dos equipamentos para operarem nos demais perodos. Oliveira, et al. (1996) avaliaram, do ponto de vista termodinmico atravs de anlise exergtica, a viabilidade de implantao da tcnica de recompresso mecnica de vapor para aumentar a eficincia energtica de uma coluna de recuperao de propileno. Rossi e Bannwart (1996) utilizaram o MPE e Programao Linear (Modelo do Transbordo) para analisar a mxima recuperao energtica na etapa de craqueamento cataltico na Refinaria de Paulnia (REPLAN) da Petrobras. Pal e Ravagnani (1996) aplicaram os conceitos de Diagrama da Fora Motriz, DFM e Anlise do Problema Remanescente, APR, apresentados por Linnhoff e Ahmad (1990), para a SRTC. Silva e Zemp (1996) realizaram um estudo sobre a influncia, na sntese de redes, do projeto termo-hidrulico dos trocadores, considerando modificaes nos coeficientes de transferncia de calor, concluindo que este no pode ser desprezado. Oliveira et al. (1996c) apresentaram um estudo sobre a influncia da interseo de temperaturas na sntese de redes sem o projeto dos trocadores. Assuno e Corria (1996) desenvolveram um modelo de otimizao para a sntese de redes de trocadores de calor no-conservativos (h perda de energia na rede quando ela transportada de um ponto para outro) apresentando consumo mnimo de utilidades. Utilizaram-se do conceito de Problema de Transbordo para a formulao do problema.

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Liporace et al. (1998, 1999a) apresentaram o software AtHENS (Automatic Heat Exchanger Network Synthesis), que realiza a sntese automtica de uma rede com consumo mnimo de utilidades, e uma nova forma (Matriz Simulao) de organizar a estrutura de rede, com seus trocadores de calor processo-processo, aquecedores, resfriadores, separadores e misturadores, de forma a automatizar a etapa de evoluo estrutural da mesma (quebra de ciclos). Quando se faz necessria a restaurao do DMT, aps a eliminao de um ciclo, a Matriz Simulao torna desnecessria a localizao de uma trajetria entre uma utilidade quente e uma utilidade fria, que passe pelo trocador onde est ocorrendo a violao, a qual muitas vezes difcil de se localizar e pode sequer existir. Alm disso, os autores chamaram a ateno para o fato de que algumas combinaes propostas, tanto na sntese inicial, quanto na rede final, necessitavam de trocadores com construo invivel e, portanto, tais combinaes deveriam ser proibidas j na etapa de sntese, ou os ciclos no deveriam ser eliminados. Liporace et al. (1999b) realizaram uma comparao entre a performance do software AtHENS e os procedimentos propostos na literatura, tanto da abordagem termodinmica, quanto da abordagem de programao matemtica. O AtHENS mostrou-se capaz de propor as mesmas ou algumas solues melhores do que as apresentadas pelos outros autores. Melo et al. (1998) realizaram um estudo para diminuir o consumo energtico do processo de destilao extrativa para obteno de etanol anidro. Oliveira (1995) e Oliveira e Queiroz (1998) realizaram uma comparao entre diversos mtodos de diviso de cascos, necessria quando h uma grande interseo de temperatura (crossing). Os autores chegaram a concluso de que o melhor mtodo o de diviso em reas iguais. Silva e Zemp (1998) apresentaram um estudo de retrofit considerando as limitaes de queda de presso existentes na rede. Vieira et al. (1998) concluram que o custo de bombeamento pode ser importante na SRTC, principalmente em processos nos quais os gastos com utilidade quente so pequenos. Westphalen e Oliveira (1998) aplicaram os conceitos de integrao energtica em uma xaroparia. Batista et al. (1999) apresentaram um software didtico para realizar a simulao de trocadores de calor casco e tubo utilizando mtodos indiretos (Kern, 1950; Bell, 1981) e diretos (Jegede e Poley, 1992). May et al. (1999) aplicaram os conceitos de integrao energtica no processo de refino de leos vegetais. Roque e Batista 16


(1999) desenvolveram um procedimento para a SRTC que trabalha com as heursticas da MPE para verificao dos cruzamentos possveis entre as correntes do processo. Este procedimento leva em considerao o conceito da Tabela Problema, que divide o processo em vrias subredes e define uma rede de trocadores de calor para cada uma destas subredes. Os mtodos heursticos fornecem os cruzamentos possveis entre as correntes. Atravs dos balanos de energia nas subredes, as combinaes vlidas e a verificao da necessidade de diviso de correntes so analisadas. Silva et al. (1999), semelhante ao trabalho de Ravagnani (1994), realizaram a SRTC incluindo o projeto dos equipamentos, realizados atravs do Mtodo de Bell (Bell, 1981). Westphalen e Wolf Maciel (1999) apresentam um procedimento que permite efetuar a determinao das metas de consumo de energia em processos envolvendo correntes de tm as propriedades variando significativamente com a temperatura. Oliveira et al. (1999) mostraram a influncia que aspectos de flexibilidade e controlabilidade tm na SRTC, atravs da localizao de by-passes e da determinao dos pares varivel manipulada-varivel controlada pelas metodologias Relative Gain Array, RGA e Singular Value Decomposition, SVD. Oliveira (2001) prope um mtodo de sntese baseado no MPE que incorpora critrios que levam em conta a controlabilidade da estrutura de rede a ser proposta. Quando h necessidade de aumentar o nmero de variveis manipuladas, by-passes so adicionados rede segundo um procedimento especfico e a sua influncia no projeto das unidades levada em considerao. Tambm so levadas em conta as faixas de possveis variaes nas variveis de perturbao, ou seja, a proposta de rede resultante controlvel para perturbaes dentro desta faixa. Liporace (2000) apresenta um verso do AtHENS, incorporando a possibilidade de tratar correntes de misturas que mudam de fase. Apresenta um estudo comparativo das formas de tratar tais problemas e a influncia dos procedimentos nos valores dos consumos mnimos de utilidades e da temperatura pinch. Mostra ainda um estudo da influncia da proibio de trocas, bem como da imposio de limites para o projeto dos equipamentos, no resultado final da sntese da rede.

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Mizutani (2003) incorpora o projeto das unidades pelo mtodo Bell-Delaware em um procedimento simultneo de sntese utilizando programao matemtica. Utiliza programao dijuntiva para acomodar na formulao as diversas correlaes do mtodo Bell-Delaware. Tambm apresenta e resolve a formulao para o caso de problemas de retrofit.

III.4 O Mtodo do Ponto de Estrangulamento Energtico (MPE)A estrutura tradicional do MPE, tambm conhecido como Tecnologia Pinch, apresentado em detalhes em Linnhoff et al (1982), sendo depois reapresentada com outros exemplos em Linnhoff e Hindmarsh (1983) e em Linnhoff e Ahmad (1990). O MPE pode ser dividido em duas partes. Na primeira parte, a partir de definio de um diferencial mnimo de temperatura (DMT) entre as correntes frias e quentes nas diversas trocas na rede e de dados do processo, so determinadas as chamadas metas de referncia. A primeira meta o consumo mnimo de utilidades, a segunda o nmero mnimo de equipamentos e a terceira a rea global mnima de troca trmica na rede. Esta etapa de determinao de metas completada por um conjunto de representaes grficas que permitem um bom entendimento do comportamento energtico do processo. Na segunda parte efetuada a sntese da rede propriamente dita. Esta parte dividida em duas etapas realizadas em seqncia. Na primeira efetuada a sntese da rede com menor consumo de utilidades (Rede Inicial) e na segunda a rede Inicial evoluda na procura de diminuir o seu custo total anual (CTA). Por sua vez, a sntese da Rede Inicial pode ser subdividida em sntese ao redor do pinch e sntese afastada do pinch.

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III.4.1 O Problema Em um processo qumico, h um conjunto de correntes que precisam ser resfriadas (correntes quentes) e um outro conjunto de correntes que precisam ser aquecidas (correntes frias). Deve-se encontrar a forma mais econmica para que as correntes atinjam seus objetivos (temperaturas metas). III.4.2 Possveis Solues Uma das solues para o problema proposto seria usar utilidade quente para que as correntes frias atinjam suas metas e utilidade fria nas correntes quentes. Essa soluo est ligada ao mximo consumo de utilidades. Apesar de suas excelentes condies de controle, esta soluo, geralmente, no a mais econmica. Outra soluo possvel seria usar o contedo energtico disponvel nas correntes quentes para suprir a necessidade das correntes frias, desde que seja vivel termodinamicamente (segunda lei da termodinmica). Este procedimento tem o nome de integrao energtica. Caso as metas ainda no tenham sido atingidas ao final da integrao energtica, utilizamse as utilidades quente e/ou fria. Esta soluo , via de regra, mais econmica que a citada anteriormente. Para que o processo seja viabilizado, deve-se determinar combinaes entre as correntes quentes e frias, gerando uma rede de trocadores de calor. O nmero de possibilidades de combinaes muito grande, portanto deve-se encontrar, dentre as redes de trocadores possveis, a melhor, economicamente falando, para a integrao energtica. O MPE representa uma das metodologias disponveis para a definio desta rede. III.4.3 Primeira Parte do MPE - Clculo das Metas e Ferramentas de Visualizao Os dados do processo so organizados na chamada Tabela Problema (Tabela 1). O processo (correntes de processo) utilizado nesta demonstrao o usado por Linnhoff et all (1982) na apresentao da MPE. Os dados bsicos das correntes de processo necessrios para a aplicao do MPE so: vazo, temperaturas de entrada (Te) e de sada (Ts) e calor 19


especfico (Cp), que considerado constante na verso original. Alternativamente, alguns autores usam as temperaturas e a taxa de capacidade calorfica (M.Cp). J das utilidades disponveis deve-se conhecer os nveis de temperatura, pois seus consumos sero determinados pelo mtodo. O coeficiente de transferncia de calor (h) - valor tpico para cada corrente, mantido constante na verso original do MPE mesmo quando houver diviso da corrente o parmetro fundamental para os clculos envolvendo a rea de troca trmica dos trocadores da rede. Tabela 1: Definio do Processo Ts (oC) MCp (kW/oC) Te ( C) 20 135 2,0 170 60 3,0 80 140 4,0 150 30 1,5 330 250 ----15 20 ----o

Nmero 1 2 3 4 Util. Quente Util. Fria

h (kW / m2oC) 0,7 0,3 0,5 0,3 0,5 0,5

Esse processo possui 4 correntes de processo, 2 quentes (2 e 4) e 2 frias (1 e 3). Outro parmetro importante que deve ser definido a priori o diferencial mnimo de temperatura (DMT) entre as correntes frias e quentes que trocam energia. Na realidade, o DMT estar presente em alguns trocadores da rede. Assim, utiliza-se como limite mnimo para o seu valor o limite mnimo do diferencial entre fluido quente e frio nas extremidades dos trocadores de calor, quando do seu projeto. No exemplo ser utilizado um DMT = 10o

C.

III.4.3.1 Clculo do Consumo Mnimo de Utilidades O consumo mnimo de utilidades determinado atravs do algoritmo da Tabela Problema, no qual efetuada a cascata de energia entre os intervalos de temperatura presentes no processo. A Figura 2 mostra o diagrama (Diagrama de Intervalos de Temperatura) no qual as correntes de processo frias de um lado e quente do outro so plotadas utilizando escalas para cada conjunto que so defasadas por um valor igual ao DMT adotado. O trmino ou

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incio de qualquer corrente define um limite de intervalo. As correntes envolvidas em cada intervalo podem trocar energia na medida de suas necessidades respeitando o DMT. Aps essa integrao no interior de cada intervalo o saldo restante, quando positivo, pode ser utilizado em intervalos de menor temperatura, gerando a chamada integrao entre intervalos (cascata de energia). Isto ocorre, por exemplo, logo no intervalo superior no qual h a disponibilidade de 60 kW de energia. Ao longo da cascata quando aparece uma necessidade que no pode ser suprida por disponibilidades em temperaturas menores, utilidade quente deve ser utilizada para satisfazer essa necessidade remanescente. Ao final da cascata, havendo disponibilidade essa deve ser descartada na utilidade fria. Os somatrios das utilidades quente e fria utilizadas nesta condio de cascata com integrao no interior e entre os intervalos de temperatura definem o consumo mnimo de utilidades quente (QQmin) e fria (QFmin), respectivamente.

Figura 2: Diagrama de Intervalos de Temperatura Definido QQmin, ele sendo introduzido no intervalo superior de temperatura gera uma nova cascata (Figura 3) na qual podero ocorrer intervalos nos quais a disponibilidade de energia nula. Desta forma, no haver passagem de energia pelo limite inferior destes intervalos, definindo assim o chamado Ponto de Estrangulamento Energtico - PE (pinch point). Normalmente os processos, quando apresentam pinch, ele nico. No processo em anlise h um pinch, localizado na temperatura de 90C na escala quente e 80C na escala fria. O ponto de pinch divide o processo em dois sub-processos: (i) um acima do pinch em 21


equilbrio com as utilidades quentes e (ii) outro abaixo em equilbrio com as utilidades frias. Outro ponto de fcil visualizao na cascata que caso seja utilizada uma quantidade de energia acima da quantidade mnima, essa quantidade ir atravessar o pinch e ser gasta na mesma proporo em utilidade fria. Na Tabela 2 so mostrados os valores do consumo de utilidades de acordo com o tipo de integrao efetuada. No que, nas trs opes, a diferena entre as quantidades de utilidade fria e de utilidade quente de 40 kW, que a energia que deve ser fornecida ao sistema para fechar o balano energtico global (primeira lei da termodinmica). Com o aumento da integrao, o consumo das utilidades diminui.

Figura 3: Diagrama de Cascata para Consumo Mnimo de Utilidades Tabela 2: Consumo de Utilidades Funo do Grau de Integrao GRAU DE INTEGRAO sem integrao integrao intra intervalos integrao entre intervalos UTILIDADE QUENTE (kW ) 470 97,5 20 UTILIDADE FRIA (kW) 510 137,5 60

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A identificao do PE e as suas caractersticas permitem que se realize as seguintes observaes: - no se deve transferir energia pelo PE a fim de que se use o mnimo de utilidades; - acima do PE s se deve usar utilidade quente e abaixo s utilidade fria. H processos nos quais identifica-se a necessidade de somente um tipo de utilidade, em um determinado DMT. Nestes no h pinch. Eles so chamados de problemas limites (threshold problems). O aumento do DMT pode levar ao aparecimento do PE. Muito menos freqentes so os problemas com mltiplos PEs. Nestes, a regio acima do maior PE est em equilbrio com as utilidades quentes, enquanto a regio abaixo do menor PE encontra-se em equilbrio com as utilidades frias. As regies entre dos PEs encontram-se equilibradas termicamente, no sendo necessria a utilizao de utilidades para fechar os respectivos balanos trmicos. III.4.3.2 Visualizao do Problema Uma melhor visualizao de como esto relacionados o DMT, a quantidade mnima de utilidades fria e quente e a regio de integrao pode ser obtida se for usado o chamado Diagrama das Curvas Compostas. A Grande Curva Composta permite visualizar a possibilidade de utilizao de mais de um nvel de utilidade, assim como o nvel real em que ela pode ser consumida. a) Diagrama das Curvas Compostas Para plotar as curvas compostas no Diagrama T x H, considera-se que o valor zero de entalpia corresponde menor temperatura da curva composta quente e os valores subseqentes de entalpia so calculados somando-se ao valor anterior o valor da quantidade de energia dos intervalos definidos apenas pelas correntes quentes (lado esquerdo da Figura 2). Para a curva composta fria, o valor de entalpia da menor temperatura igual ao consumo mnimo de utilidade fria e os intervalos so definidos pelas correntes frias (lado direito da Figura 2). Os pontos assim gerados so plotados no Diagrama T x H como 23


mostrado na Figura 4, onde: ccquente a curva composta quente, ccfria a curva composta fria, QFmin a quantidade mnima de utilidade fria e QQmin a quantidade mnima de utilidade quente. No Diagrama das Curvas Compostas o ponto onde as curvas mais se aproximam o PE do problema, e a diferena de temperatura entre as duas curvas no PE igual ao DMT. A regio onde as duas curvas esto presentes a chamada regio de integrao energtica. No limite esquerdo onde somente est presente a curva quente, tem-se o consumo mnimo de utilidade fria, enquanto no limite oposto, o consumo mnimo de utilidade quente. Nesse diagrama pode-se tambm avaliar rapidamente o que acontece quando o DMT aumenta. Como os MCp permanecem constantes e o seu inverso est diretamente relacionado aos coeficientes angulares das curvas compostas, h um deslocamento para esquerda da curva fria sem que ela mude de inclinao. Isto implica em um aumento, no mesmo valor absoluto, dos consumos das utilidades quente e fria. Desta forma, constata-se que o consumo de utilidades est diretamente relacionado ao valor do DMT. Quanto maior este, menor a integrao entre correntes quentes e frias e maior o consumo de utilidades. Por outro lado, o aumento do DMT faz com que a rea de troca trmica dos trocadores diminua (para uma mesma carga trmica, um aumento na fora motriz diminui a necessidade de rea), diminuindo o seu custo. Logo, deve haver um valor timo de DMT que fornea o menor custo total, representado pelo somatrio dos custos fixo e operacional. Com base no que foi exposto, verifica-se a alternativa de se determinar as metas de consumo mnimo de utilidades quente e fria atravs de um procedimento grfico, sem a necessidade da construo da Cascata Energtica. Basta admitir que, para a curva composta fria, o primeiro valor de entalpia ser zero e no mais um determinado valor correspondente ao mnimo de utilidade fria. Ao se plotar as duas curvas compostas, elas apresentaro regies de inviabilidade de troca significando que no possvel uma integrao energtica. Deve-se ento deslocar a curva composta para a direita (aumento do DMT) at que a maior

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aproximao entre as curvas corresponda ao valor do DMT especfico. Neste ponto faz-se a leitura dos valores de QQmin e QFmin.

Figura 4: Diagrama das Curvas Compostas para DMT de 10oC

b) A Grande Curva Composta A Grande Curva Composta tambm plotada em um diagrama T x H. Os pares coordenados so formados pelos valores de energia disponvel em cada intervalo na cascata na qual se identifica o PE, ou seja, na cascata na qual o consumo mnimo de energia adicionado ao intervalo de maior temperatura (abscissas). As ordenadas so representadas pela temperatura mdia de cada limite de intervalo, pelo qual passa a disponibilidade de energia correspondente. A Grande Curva Composta resultante para o exemplo em anlise mostrada na Figura 5. No PE a Grande Curva Composta toca o eixo das ordenadas. A distncia entre o seu ponto superior e o eixo das ordenadas indica o consumo mnimo de utilidade quente, enquanto a mesma distncia em seu ponto inferior o consumo de utilidade fria. Traando uma linha

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vertical a partir do ponto superior ela encontra com a grande curva composta em uma temperatura de aproximadamente 100C. A regio direita desta linha vertical chamada de nariz, e indica uma regio de integrao, pois a quantidade disponvel (linha superior no nariz que se afasta do eixo das ordenadas) igual a necessidade (linha inferior no nariz), que ocorre em um nvel de temperatura menor. Observe que na regio abaixo do PE tambm h um nariz. Outro resultado importante que em funo do nariz, a utilidade quente no precisa estar disponvel a 180C, pois caso a integrao indicada no nariz ocorra, a utilidade quente somente ser usada para correntes de processo abaixo dos 100C. Desta forma, para satisfazer o DMT de 10C, a utilidade quente pode estar disponvel a 110C.

Figura 5 Grande Curva Composta para DMT = 10C III.4.3.3 Clculo do Nmero Mnimo de Unidades Hohmann (1971), em seu trabalho sobre a termodinmica da SRTC, sugeriu que o nmero mnimo de unidades de troca trmica para um determinado conjunto de correntes poderia ser obtido pela seguinte expresso: umin = Ncorr + Nutil - 1 , (1)

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onde: umin o nmero mnimo de unidades de troca trmica; Ncorr o nmero de correntes de processo; e Nutil o nmero de utilidades. A equao (1) no considera a presena de ciclos (duas ou mais correntes se combinando mais de uma vez) e considera a presena de somente um Sistema Independente (existncia de subconjuntos de correntes equilibrados energeticamente dentro do conjunto principal). Linnhoff (1979), baseado na Teoria dos Grafos, props para o nmero mnimo de unidades: umin = Ncorr + Nutil + Nciclos - Nsist. indep. onde: Nciclos o nmero de ciclos na rede; e Nsist. , (2)

indep.

o nmero de sistemas

independentes (subsistemas). Na sntese, sem a presena da rede, a identificao da existncia de ciclos e mesmo de mais de um sistemas independentes difcil. Assim, a equao (1) normalmente a utilizada para determinar essa meta. III.4.3.4 Clculo da rea Global Mnima A mudana de inclinao da curva composta significa que, naquela temperatura, h a sada ou entrada de alguma corrente. Isto permite a diviso das curvas compostas em intervalos de entalpia delimitados pelas mudanas de inclinao das mesmas (Figura 6). Hohmann (1971) apresentou o conceito de transferncia vertical de calor (Figura 6) sugerindo que se a energia for transferida dessa forma (demonstrada no intervalo de entalpia 3), a rea global de troca trmica ser mnima, devido a um melhor aproveitamento da fora motriz existente. Caso a energia seja transferida diagonalmente, ou seja, entre os intervalos de entalpia (intervalos 4 e 5), haver um mau aproveitamento da fora motriz (uma troca estar super-utilizando a fora motriz, enquanto que a outra a estar sub-utilizando) e, em conseqncia, um aumento da rea global de transferncia de calor na rede.

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Figura 6: Transferncias Vertical e em Diagonal de Calor no Diagrama das Curvas Compostas Aproveitando a proposta de Hohmann, Townsend e Linnhoff (1984) propuseram uma forma para se estimar a rea global mnima levando em conta a influncia do coeficiente de transferncia de calor de cada corrente: q 1 k Amin = ( DTLN ) hk j k j

,

(3)

onde: DTLN a diferena de temperatura mdia logartmica; j indica o intervalo de entalpia; k a corrente que participa do intervalo j; qk o mdulo da diferena de entalpia da corrente k, no intervalo j; e hk o coeficiente de transferncia de calor na corrente k. Na Tabela 3 h um resumo de vrios resultados de metas para o processo usado como exemplo, considerando dois valores para o DMT (10C e 20C). O nmero mnimo de unidades (umin) obtido atravs da aplicao da equao (1) enquanto a rea global mnima obtida a partir da equao (3).

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Tabela 3: Quadro Resumo das Metas Calculadas para Processo Tabela 1 10 20 DMT (C) 90 / 80 100 / 80 PE (C) 20 65 QQmin (kW) 60 105 QFmin (kW) 5 5 umin 132,2 87,7 Amin (m2) Note que o aumento do DMT leva a um aumento no consumo de utilidades fria e quente, enquanto a rea global mnima tem seu valor diminudo. Esse resultado, mais uma vez, confirma o compromisso entre custos com utilidades e custos com os equipamentos em uma rede. III.4.4 Segunda Parte do MPE - Sntese da Rede De posse das metas (consumo mnimo de utilidades, nmero mnimo de unidades de troca trmica e rea global mnima de troca trmica) e conhecendo o PE, parte-se para a sntese da rede de trocadores de calor. Como j comentado, o procedimento de Sntese realizado em duas etapas: (i) Sntese da Rede de Mnimo Consumo de Utilidades ou Rede Inicial; (ii) Evoluo da Rede Inicial. Para a Sntese da Rede Inicial o MPE fornece regras para a combinao das correntes que chegam e partem do PE. Para a sntese afastada do PE, o MPE no indica regras especficas, ao contrrio, cada problema trabalhado de forma independente e segundo suas peculiaridades, sem a definio de um procedimento padro e abrangente. Em conseqncia, a obteno de uma rede completa de forma rpida se torna uma tarefa de complexidade crescente, na medida em que o nmero de correntes aumenta. Em problemas com um PE, a proposta de Rede Inicial originada da juno de duas redes sintetizadas de forma independente. Estas redes so originadas a partir das regras do MPE dividindo o problema original em dois sub-problemas: um acima do PE no qual somente se

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deve utilizar utilidades quentes e outro abaixo do PE no qual so utilizadas as utilidades frias. III.4.4.1 Primeira Etapa - Sntese da Rede de Mnimo Consumo de Utilidades ou Rede Inicial III.4.4.1.1 Sntese Envolvendo as Correntes que Tocam o PE Regras para a Sntese

Linnhoff e Hindmarsh (1983), quando apresentaram o MPE, propuseram duas regras simples e de fcil aplicao que devem ser satisfeitas na sntese da rede ao redor do PE. Essas regras so enunciadas e comentadas a seguir para a regio acima do PE. Para a regio abaixo do PE, onde se l quente, leia-se fria e vice-versa e onde se l acima, leia-se abaixo. a) Nmero de correntes Regra: O nmero de correntes quentes imediatamente acima do PE tem que ser menor ou igual ao nmero de correntes frias imediatamente acima do PE. Caso contrrio, deve-se dividir correntes frias at que o nmero de correntes quentes e frias se iguale. A sntese envolvendo correntes que tocam o PE a mais severa quanto possibilidade de violao do DMT. Portanto, todas as correntes quentes devem ser retiradas do PE por correntes frias que tocam o PE, caso contrrio haver necessidade de utilizao de utilidade fria acima do PE, o que gera consumo acima do mnimo. b) Relao entre os MCps das correntes participantes da combinao Regra: Deve-se combinar corrente quente imediatamente acima do PE que tenha MCp menor ou igual ao MCp da corrente fria tambm imediatamente acima do PE.

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Quando se realiza uma combinao entre uma corrente quente e uma corrente fria que tocam o PE, a extremidade do trocador de calor com essas temperaturas j estar com a diferena de temperaturas entre as correntes igual ao DMT. Assim, caso essa regra seja violada, o diferencial na outra extremidade necessariamente ser menor que o DMT. As duas regras do MPE tradicional (Regras a e b) esto intimamente ligadas separao do problema original em dois subproblemas equilibrados energeticamente com cada uma das utilidades e a necessidade de se manter um DMT nas trocas. Vrias experincias mostraram que a utilizao destas regras podem levar situaes nas quais necessria a utilizao da utilidade proibida (fria acima do PE e quente abaixo) para fechar a rede quando da sntese envolvendo as correntes afastadas do PE. Os problemas que ocorrem podem ser divididos em duas classes: (i) problemas envolvendo nveis de temperatura e (ii) problemas de carga trmica, ambos nas correstes remanescente para a sntese afastada do PE. Este assunto pouco discutido na literatura. Uma boa discusso com exemplos, pode ser vista em Liporace (1996). Esses problemas podem ser evitados atravs da utilizao de uma regra alternativa regra (b), proposta pela primeira vez tambm por Liporace (1996) e utilizada nos trabalhos desenvolvidos pelo grupo da EQ/UFRJ. Assim, aparece a regra (b.1), a seguir enunciada. b1) Relao restritiva entre os MCps das correntes participantes da combinao Regra: Deve-se combinar corrente quente imediatamente acima do PE que tenha MCp menor ou igual ao MCp da corrente fria tambm imediatamente acima do PE. Quando for menor, deve-se dividir a corrente fria at que o valor de seu MCp se torne igual ao da corrente quente. Na realidade essa regra no viola a regra (b) original, mas permite a manuteno para a sntese afastada do PE de um nmero maior de opes de correntes do lado da utilidade proibida (por exemplo, correntes frias na sntese acima do PE). 31


H na literatura alguns procedimentos que tentam orientar a sntese prxima ao PE, mas o seu enfoque a escolha do melhor par de troca entre os que satisfazem as regras (a) e (b), visando a obteno de uma rea global mnima. Um exemplo o trabalho de Linnhoff & Ahmad (1990), que recomenda trocas com razes entre os MCps das correntes quente e fria o mais prximo possvel da razo entre os MCps das curvas compostas quente e fria e tambm apresenta um procedimento de avaliao do chamado problema remanescente visando avaliar a penalidade que cada combinao imputa no valor da rea global. Exemplo de Aplicao

O problema mostrado na Tabela 1 pequeno e praticamente no envolve dificuldades na sntese afastada do PE. Desta forma, ele ser utilizado para mostrar as diferenas na Rede Inicial (Rede com Mnimo Consumo de Utilidades) que aparecem em funo da regra utilizada em sua sntese. Como j comentado, o problema original dividido em dois subproblemas pelo PE. Na Tabela 4 so mostrados os dois sub-problemas correspondentes ao da Tabela 1, com o DMT = 10C. A PE encontra-se em negrito, permitindo identificar as correntes que tocam o PE em cada lado. Tabela 4: Sub-problemas Gerados a Partir Problema Tabela 1 Acima do PE Ts (oC) MCp (kW / oC) Nmero Te (oC) 1 135 2,0 80 2 170 3,0 90 3 140 4,0 80 4 150 1,5 90 Abaixo do PE Nmero Te (oC) Ts (oC) MCp (kW / oC) 1 20 2,0 80 2 60 3,0 90 4 30 1,5 90 As Redes Inicias geradas so mostradas nas Figuras 7 e 8, nas quais as linhas horizontais representam as correntes de processo, enquanto as linhas verticais indicam as unidades de

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troca trmica (integrao). Os aquecedores e os resfriadores so representados por crculos vermelhos e azuis, respectivamente. Na Figura 7 mostrada a Rede Inicial (Mnimo Consumo de Utilidades) obtida utilizando as regras tradicionais do MPE, fruto da unio das redes geradas nos sub-problemas acima e abaixo do PE (Tabela 4) Linnhoff et all. (1982). Como pode ser visto, no h diviso de correntes, pois a regra (a) satisfeita nos dois lados do PE. Na Figura 8 encontra-se a Rede Inicial obtida com a regra (b.1), desenvolvida pelo grupo da EQ/UFRJ. As divises nas correntes 1, 2 e 3 so indicadas pela utilizao da regra (b.1). Alm de apresentar mais divises, a rede na Figura 8 tambm tem um nmero maior de unidades (9 no total contra 6 da rede na Figura 7), indicando um nmero maior de ciclos. Cabe ressaltar que estas no representam as propostas finais dos dois procedimentos e, como j comentado, a sntese afastada do PE muito simples e j est efetuada nas Redes apresentadas nas duas figuras. No item 3.4.4.2 sero apresentados os procedimentos para a Evoluo das Redes Iniciais e ento comparadas as Redes Finais obtidas. certo que o trabalho de evoluo da rede com nove unidades ser maior, mas a comparao deve ser feita somente nas Redes Finais.

Figura 7: Rede Inicial Obtida com as Regras Tradicionais do MPE (a e b) Linnhoff et all (1982) - DMT = 10C

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Figura 8: Rede Inicial Obtida com as Regras (a) e (b.1) DMT = 10C - Algoritmo Proposto III.4.4.1.2 Sntese Envolvendo as Correntes Afastadas do PE Aps a sntese envolvendo as correntes que esto no PE, difcil que todas as correntes dos dois subproblemas (processos com 1 PE) estejam esgotadas termicamente, fato que vem a ser o objetivo final a ser alcanado. Portanto, torna-se necessria a continuao da sntese envolvendo as correntes de processo restantes. Nesse ponto, o MPE no indica regras especficas, ao contrrio, cada problema trabalhado de forma independente e segundo suas peculiaridades, sem a definio de um procedimento padro e abrangente. Na da literatura sobre o MPE, h muitos trabalhos que tratam da sntese da Rede Inicial, porm eles se restringem Sntese ao Redor do Ponto de Estrangulamento Energtico (PE). Na literatura pesquisada, apenas os trabalhos de Rev e Fonyo (1986) e de Liporace et al. (1997) tratam da sntese afastada do PE. O procedimento proposto por Liporace et al. (1997) apresentou bons resultados para diversos exemplos estudados, inclusive sendo aplicado industrialmente (Nitrocarbono S.A. e Petrobras). Da mesma forma, o procedimento de Rev e Fonyo (1986) foi aplicado a um exemplo industrial (Planta de Fracionamento de Gasolina) e, segundo os autores, forneceu resultados satisfatrios. A diferena entre eles est na forma como a sntese afastada do PE feita. De acordo com Rev e Fonyo (1986), a aplicao direta de regras heursticas junto com o MPE para a sntese da rede pode levar a duas caractersticas indesejveis na rede final: violao do consumo mnimo de utilidades e complexidade da estrutura. Liporace et al. (1997) 34


mostraram que a aplicao de regras heursticas poderia ser feita, desde que uma das regras do MPE para a sntese ao redor do PE fosse ligeiramente modificada. Imaginando-se que as correntes restantes em cada subproblema formem um conjunto novo e independente, a idia de se usar Regras Heursticas para a continuao das combinaes se torna atraente. Ao longo dos trabalhos desenvolvidos na EQ/UFRJ foram testadas duas Regras Heursticas: 1) Regra de Rudd (Rudd et all, 1973) => Combinar a corrente quente que tenha a maior temperatura de entrada com a corrente fria que tenha a maior temperatura de entrada. 2) Regra de Ponton & Donaldson (Ponton & Donaldson, 1974) => Combinar a corrente quente que tenha a maior temperatura de entrada com a corrente fria que tenha a maior temperatura de sada (QMTE x FMTS). Em relao pergunta: Qual a melhor Regra Heurstica?, nenhum resultado conclusivo pode ser tirado, visto que no foi possvel identificar um comportamento uniforme das duas Regras Heursticas. Em alguns exemplos, a Regra de Rudd fornecia melhores resultados e em outros ocorria o contrrio. Outro fato importante foi a observao de que um procedimento que una todas as correntes que saem da sntese ao redor do PE visando diminuir o nmero de equipamentos na rede pode levar a situaes nas quais a utilizao de utilidade proibida seja necessria para fechar a rede. Foi ento necessrio o desenvolvimento de procedimento para a identificao desse problema o mais rpido possvel. Assim, tem-se como primeira opo a unio das correntes divididas e a viabilidade ou no da unio feita com a realizao do Diagrama de Cascata de Energia em cada etapa, que permite identificar a necessidade ou no de uso da utilidade proibida.

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III.4.4.2 Segunda Etapa Evoluo da Rede de Mnimo Consumo de Utilidades ou Rede Inicial Nesta etapa a Rede Inicial obtida evoluda tendo como objetivo a diminuio de seu Custo Total Anual (CTA). A presena de ciclos nestas redes iniciais indica a possibilidade de retirada de equipamentos. Assim, o procedimento bsico para sua evoluo contempla a identificao dos ciclos e posterior quebra (retirada de um equipamento pertencente ao ciclo). Caso o ciclo ultrapasse o PE, a sua quebra gera violao do DMT em algum dos equipamentos remanescentes. Caso haja a opo de mant-lo, deve-se tambm calcular o aumento de consumo de utilidades na rede de modo a restaurar o DMT original. Ao se abordar a evoluo estrutural da Rede Inicial no contexto do MPE, pode-se destacar, entre os trabalhos que tratam da identificao de ciclos, o trabalho de Pethe et al. (1989). Os autores propem uma forma simples para identificar os ciclos de uma rede atravs da determinao do posto da Matriz Incidncia (representao da rede). Essa forma, alm de fornecer resultados satisfatrios, bem mais simples de ser implementada do que o procedimento proposto por Zhu. et al. (1996), baseado na Teoria dos Grafos. J para a etapa de quebra de ciclos, existem alguns trabalhos que apresentam regras e procedimentos para se identificar qual trocador deve ser eliminado da rede (Trivedi et al., 1990 e Zhu et al., 1993.). Ravagnani (1994) apresentou um algoritmo evolutivo para a identificao e quebra de ciclos, porm este no se preocupa em restaurar o diferencial mnimo de temperatura quando ele violado aps a quebra de um ciclo. Liporace (2000) ou Liporace et al. (1999a) mostram o procedimento desenvolvido no grupo da EQ/UFRJ, que utiliza a chamada Matriz de Simulao e permite a restaurao do DMT. Cabe ressaltar que o mtodo proposto por Linnhoff et al. (1982), que envolve a identificao de uma trajetria entre as utilidades quente e fria passando pelo equipamento que apresenta violao do DMT, simples, mas de difcil implementao em um algoritmo computacional que lide com redes com qualquer estrutura.

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A incluso do projeto detalhado de trocadores de calor na sntese de redes no contexto do MPE, com objetivo de melhorar as estimativas dos custos dos equipamentos e incorporar informao a respeito da possvel inviabilidade de construo de equipamentos mais recente. podem ser citados trabalhos como os de Ravagnani (1994) e Oliveira (1995). A diferena entre eles, alm das metodologias de projeto utilizadas, est no fato de que o algoritmo proposto por Oliveira (1995) realiza o projeto do equipamento aps a escolha de cada combinao, ou seja, o projeto realizado ao longo da sntese. J o algoritmo proposto por Ravagnani (1994) realiza o projeto detalhado somente ao final da sntese. Realizando o projeto a cada passo da sntese e mostrando a sua influncia, bem como a influncia de restries impostas nos parmetros de projeto, na estrutura da rede final obtida h o trabalho de Liporace (2000). No exemplo a seguir os dados de custos esto vinculados a projetos simplificados, ou seja, todas as trocas so efetuadas em contra-corrente e o coeficiente global determinado a partir somente dos coeficientes de transferncia de calor de cada corrente. Exemplo de Aplicao - Continuao

Nas Figuras 9 e 10 so mostradas as redes obtidas aps a evoluo das Redes Iniciais para o problema demonstrativo (Tabela 1) mostradas nas Figuras 7 e 8, respectivamente. A Rede Inicial do procedimento tradicional (Figura 7) somente apresenta um ciclo, que quando quebrado gera uma violao no DMT no trocador envolvendo as correntes 1 e 4. A sua restaurao eleva o consumo de cada utilidade em 7,5 kW, diminuindo o custo total anual. Assim, a rede mostrada na Figura 9 considerada a Final para o procedimento tradicional (Linnhoff et al., 1982). A Rede Inicial da Figura 8 possui quatro ciclos. Todos quebrados levam estrutura mostrada na Figura 10, que tambm tem um consumo de utilidades superior ao mnimo nos mesmos 7,5 kW. Os equipamentos apresentam rea um pouco diferente da rede original em funo dos by-passes remanescentes das divises de correntes. Uma comparao das 37


estruturas mostradas nas Figuras 9 e 10 mostra semelhana entre as Redes Finais obtidas pelos dois procedimentos. A diferena representada pela presena dos by-passes.

Figura 9: Rede Final Obtida com as Regras Tradicionais do MPE (a e b) Linnhoff et all (1982) - DMT = 10C

Figura 10: Rede Final Obtida com as Regras (a) e (b.1) DMT = 10C - Algoritmo Proposto Cabe ressaltar que a presena de by-passes nas estruturas de redes muitas vezes fundamental para o seu controle, situao no levada em considerao nos resultados aqui apresentados. Entretanto, leitores interessados no assunto podem achar uma discusso sobre a relao entre aspectos de sntese e de controle de redes de trocadores de calor no trabalho de Oliveira (2001), assim como um procedimento de sntese baseado no MPE que leva em conta j na sntese aspectos relacionados ao futuro controle da rede. H tambm os trabalhos de Glemmestad et al. (1997 e 1999) que tratam da otimizao da operao de redes j existentes.

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IV. Minimizao De Efluentes Aquosos Em Processos QumicosO meio ambiente tem sido poludo com diferentes efluentes como conseqncia da vida moderna. A poluio no um fenmeno novo. H cerca de 100 anos as fbricas j emitiam enormes nuvens txicas de fumaa. Entretanto, hoje em dia, a intensidade de aes poluentes aumentou infinitamente, bem como a sua abrangncia. Atualmente observa-se poluio do solo, da gua e do ar, isto , da Terra. Recentemente, os mtodos de controle da poluio industrial tm evoludo no sentido de priorizar aes no seio dos processos de produo. Para tanto, pases e empresas tm adotado polticas e prticas preventivas com o desenvolvimento de tecnologias limpas visando minimizao de resduos em todas as etapas do processo produtivo. A mudana em questo, portanto, ocorre com a substituio de tecnologias de tratamento e de disposio de efluentes por procedimento que visem a sua minimizao. Esta abordagem est recebendo apoio crescente no apenas dos legisladores e da comunidade, mas tambm do segmento empresarial. A existncia de um crescente nmero de incentivos, implicando na diminuio de custos operacionais e de impostos, contribui para esta aceitao. A minimizao de resduos atravs da engenharia de processos um poderoso procedimento para reduo de poluio, de rejeitos e de emisses e, ao mesmo tempo, aumento da eficincia e reduo do custo operacional em processos industriais. H ento a conciliao de aspectos que hoje se apresentam como conflitantes no setor industrial: necessidade de uma crescente competitividade e atendimento s presses ambientalistas do pblico interno e externo. Desta forma, a evoluo no sentido da adoo de tecnologias limpas mostra-se um componente fundamental no desenvolvimento sustentvel.

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Neste contexto, os governantes criaram leis limitando emisses e descartes de forma a minimizar a poluio e proteger o meio ambiente. Assim, torna-se necessrio o desenvolvimento de metodologias para minimizao do impacto ambiental dos processos, representado por, entre outros fatores, um consumo excessivo de energia e de materiais, pela produo de poluentes e pelas prprias alteraes decorrentes da construo de grandes indstrias. Os impactos provocados por uma indstria ultrapassam o espao fsico por ela ocupado.

IV.1 Controle de Poluio e Preveno de PoluioO controle de poluio tem como meta evitar o lanamento de materiais indesejveis no ambiente e aplica tecnologias no final do processo para atingir este objetivo. A preveno de poluio busca eliminar problemas de poluio sem a criao de potenciais poluentes ou, quando a sua gerao inevitvel, tenta no permitir que atinjam o fim do processo. Entretanto, nem sempre economicamente ou mesmo tecnicamente vivel eliminar completamente a produo de rejeitos. Conseqentemente, o controle no final do processo se torna necessrio, mesmo com a ferramenta de preveno da poluio. O controle da poluio serviu como base para a maioria das regulamentaes ambientais existentes. Entretanto, a grande maioria das tcnicas de controle de poluio no oferece uma real reduo de poluio. H, simplesmente, uma transferncia do agente poluidor de um meio para outro. Por exemplo, a absoro de vapores indesejveis pode atenuar o problema de emisses no ar gera rejeitos lquidos. Outras tcnicas apenas ocultam o verdadeiro problema. A preveno de poluio tem vrias vantagens em relao ao controle de poluio. Parte do poluente que chega ao final do processo representa perda de matria-prima. Assim, ao buscar minimizar a quantidade de material que tem este fim, a preveno de poluio tornase um meio de conservao de recursos naturais. Ela tambm implica na reduo de custos relacionados disposio de rejeitos, j que procura a sua minimizao; e matria-prima,

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j que o processo utiliza-a de forma mais eficiente; bem como contribui para a melhoria da imagem pblica da indstria. A preveno da poluio depende da sntese do processo global. A identificao de solues adequadas requer um alto grau de habilidade tcnica e suas solues no so diretamente transferveis, mesmo entre indstrias similares.

IV.2 Preveno de Poluio e Integrao de ProcessosHistoricamente, a poluio vem sendo considerada como um produto secundrio inevitvel ao progresso industrial. Entretanto, esta viso sofreu modificaes e atualmente no mais aceitvel poluir sob o aspecto social, legal e/ou poltico. Ao invs de gerar e descartar rejeitos deve-se achar formas de produzir sem gerar poluio ou ento com a recuperao e reutilizao dos efluentes com potencial poluidor. Em consonncia com as mudanas na forma de viso da poluio, um grande nmero de diferentes abordagens para a sntese de processos industriais foi desenvolvido sob a viso da integrao de processos, mudando consideravelmente a forma com que a sntese de processos era realizada. Em geral, estas metodologias no criam novos equipamentos ou operaes unitrias. Ao contrrio, do enfoque na forma mais efetiva de seleo e conexo de processos tecnolgicos j existentes. O objetivo da integrao de processos compatvel com a filosofia de preveno de poluio. Uma das caractersticas principais das tcnicas de integrao de processos o aspecto de conservao, isto , o aumento da eficincia do processo obtido com a minimizao do uso e/ou com a maximizao da recuperao de energia e materiais. Alm disso, a preveno de poluio depende do projeto global do processo. A tcnica de integrao de processos fornece a base para a anlise e desenvolvimento de projetos em sua totalidade, podendo ento ser empregada para atingir os objetivos da preveno de poluio.

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IV.3 A Escassez da guaA gua um recurso natural de valor inestimvel. Mais do que um insumo indispensvel produo e um recurso estratgico para o desenvolvimento econmico, ela vital para a manuteno dos ciclos biolgicos, geolgicos e qumicos que mantm em equilbrio os ecossistemas. , ainda, uma referncia cultural e um bem social indispensvel adequada qualidade de vida da populao. Entre mares, rios, geleiras e pores subterrneas, h cerca de 1,39 x 106 metros cbicos de gua no planeta. Destes, estima-se que apenas 1% prpria para o consumo e de fcil acesso. O restante forma os oceanos e as geleiras, que podem representar uma soluo caso a falta dgua seja crnica no futuro, dependendo de tecnologias que viabilizem o seu transporte. No por outra razo que a Organizao das Naes Unidas qualifica a gua como o Petrleo do Sculo XXI. O Brasil detm cerca de 8% desse montante a maior bacia hidrogrfica do mundo no obstante, vive srios problemas relativos escassez deste recurso. No apenas pssima distribuio de guas brasileiras que se debita esta escassez. Mesmo nas regies secas do Nordeste do pas, onde se concentram apenas 3,3% das disponibilidades hdricas, as guas seriam suficientes no fossem dois graves problemas: a falta de gerenciamento adequado e a contaminao de corpos hdricos e mananciais. O pas faz pouco para proteger esse imenso patrimnio. Problemas de contaminao e explorao desordenada podem comprometer o seu uso num futuro mais prximo do que se imagina. O aquecimento global, que diminui a absoro da gua das chuvas pelo solo que normalmente alimenta os vastos lenis subterrneos do pas, a crescente demanda da agricultura e as cidades em expanso so os motivos mais citados para explicar a acelerada escassez de gua.

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A gua est se tornando um insumo cada vez mais precioso no Brasil e no mundo. Dificilmente voltaremos ao tempo em que era um bem natural, abundante e grtis. No nordeste mais da metade dos 1785 municpios esto beira da seca. No estado de So Paulo, s no primeiro trimestre de 2001, foram perfurados 600 poos. quase uma corrida pela gua. O mau uso e a demanda sempre crescente esto reduzindo o volume de rios e lenis subterrneos em todos os continentes. Reuso e conservao da gua constituem, hoje, em palavras de maior importncia em termos da gesto de recursos hdricos. A prtica do reuso, ainda incipiente no Brasil, espera para ser institucionalizada e integrada aos planos de proteo e desenvolvimento de bacias hidrogrficas. Para isso, necessrio, antes de tudo, o passo fundamental que restringe a grande maioria dos processos de modernizao nacional vontade poltica na esfera mais elevada dos tomadores de deciso. No Brasil, grandes consumidores (cervejarias, fbricas e siderrgicas) esto investindo em garantia de suprimento e reciclagem de gua. O comit para integrao da Bacia Hidrogrfica do Rio Paraba do Sul (CEIVAP) um dos mais adiantados comits de bacias hidrogrficas do pas, segundo especialistas - j definiu a cobrana pelo uso da gua. O comit ainda pretende financiar a despoluio de Rio Paraba do Sul e Bacia com os recursos arrecadados com o projeto. O preo pelo uso da gua ser por volume e ter valores diferenciados para captao e para despejos. No interior de So Paulo j existem algumas empresas que esto reaproveitando a gua que utilizam. Uma fbrica de fios de polister, em Americana, recicla 50% da gua que consome. J a refinaria de Paulnia utiliza gua reciclada para tirar o excesso de sal do petrleo que vem da Bacia de Campos. Uma fbrica de eletrodomsticos, em apenas dois anos, diminui o consumo de gua de 11 milhes de litros por ms para 6,5 milhes, um pouco mais da metade. Apesar de iniciativas importantes, nenhum dos exemplos citados acima empregou um mtodo sistemtico para a identificao de solues adequadas de reutilizao, fazendo 43


com que suas solues no sejam diretamente transferveis, mesmo entre indstrias similares. O reaproveitamento da gua feito por inspeo, sem nenhum procedimento sistemtico, o que no garante a mxima reutilizao da gua, pois nem todas as alternativas de reuso so identificadas.

IV.4 Efluentes da Indstria QumicaGeralmente, a caracterizao dos efluentes feita atravs da especificao de seu volume/vazo, do tipo de contaminante e das respectivas cargas (concentraes) dos contaminantes presentes. De forma a atender as legislaes ambientais existem duas formas de minimizao de efluentes: (i) tratar o efluente usando incinerao, digesto biolgica, etc., para posterior descarte para a ambiente satisfazendo a legislao, chamada tratamento de final de linha; e (ii) reduzir ou eliminar a produo de efluentes na fonte atravs da sua minimizao. A primeira apresenta a desvantagem de que uma vez criado o efluente, ele sempre existir. Consegue-se minimizar a sua contaminao, mas o descarte ser sempre necessrio. Um exemplo o lodo formado em processos de tratamento. O efluente atinge as condies para o descarte, mas o lodo tambm dever ser descartado em um certo momento. J a segunda forma apresenta diversas vantagens, tais como: reduo do custo do tratamento de efluentes (menor vazo) e reduo dos custos de insumos e/ou matrias-primas. Existem dois tipos de efluentes aquosos: os gerados na planta, isto , originados nos processos, tais como em reaes, separaes ou reciclos, e operaes de partida e parada; e os utilizados como utilidades, como guas de lavagem, descarte de gua de resfriamento, etc. As primeiras medidas tomadas para minimizar o consumo de gua e a conseqente gerao de efluentes aquosos so modificaes no processo para a reduo de sua demanda inerente. Isto inclui, por exemplo:

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gua;

Aumento do nmero de estgios em processos de extrao que utilizam Utilizao de spray-balls para uma lavagem interna de vasos mais efetiva; Colocao de gatilhos em mangueiras; Melhoria no controle do blow-down (purga) nas caldeiras; Aumento do retorno de condensado nos sistemas de aquecimento (vapor)

para reduo das perdas de gua e diminuio na demanda por tratamento de gua de alimentao da caldeira; Aperfeioamento do controle de purga nas torres de resfriamento; Melhoria da eficincia energtica do processo para reduo da demanda de

vapor, causando a reduo da gerao de efluentes lquidos no sistema de vapor em funo da conseqente diminuio: da necessidade de purga na caldeira, das perdas de gua no sistema de tratamento de gua de alimentao da caldeira e das perdas em funo da condensao. Desconsiderando a possibilidade de fazer grandes modificaes no processo para diminuir a demanda inerente de gua, existem trs formas para reduzir a gerao de efluentes lquidos: Reuso: o efluente utilizado em outra operao sem nenhum tratamento prvio, desde que o nvel de contaminantes no prejudique o processo nessa operao. Desta forma, consegue-se reduzir o consumo de gua primria. Normalmente, a carga de contaminantes na corrente permanece inalterada (Figura 11a). Regenerao com reuso: o efluente de uma ou mais operaes passa por um tratamento para remoo parcial de contaminantes, visando possibilitar a sua utilizao em outra operao. Com esta opo ocorre uma diminuio no volume consumido de gua primria, no volume de efluente gerado e na carga de contaminantes em funo da regenerao (Figura 11b). Regenerao com reciclo: o efluente sofre tratamento parcial para remoo de contaminantes e, neste caso, pode ser reutilizado no mesmo processo que o gerou.

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Novamente h uma diminuio no volume consumido de gua primria, no volume de efluente gerado e na sua carga de contaminantes (Figura 11c).OPERAO 1

GUA PRIMRIA

OPERAO 2

REJEITO

OPERAO 3

(a)

OPERAO 1

GUA PRIMRIA

OPERAO 2

REGENERAO

REJEITO

OPERAO 3

(b)

OPERAO 1

GUA PRIMRIA

OPERAO 2

REGENERAO

REJEITO

(c)OPERAO 3

Figura 11: Minimizao do consumo de gua primria via (a) reuso; (b) regenerao com reuso; (c) regenerao com reciclo. importante diferenciar a regenerao com reuso da regenerao com reciclo, j que o reciclo pode causar o acmulo de contaminantes indesejveis no removidos na regenerao.

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IV.5 Mtodos Utilizados na Proposta de Minimizao de EfluentesNa integrao de processos existem vrios mtodos sistemticos de sntese de processos que vm sendo utilizados com sucesso em aplicaes de preveno de poluio. Eles podem ser classificados em trs linhas, em funo da ferramenta utilizada: Sistemas Especialistas, Procedimento Algoritmo e Programao Matemtica. Sistemas Especialistas Este termo utilizado para descrever os mtodos de

sntese de processos e de integrao de processos construdos com base no conhecimento acumulado de idias j provadas. Nesse conjunto esto includos os mtodos heursticos, onde a seqncia lgica da evoluo do fluxograma segue regras geradas com base em experincias prvias. Muitas vezes essas regras permitem a identificao e avaliao de opes de minimizao de rejeitos. Procedimentos Algoritmos Nesta linha pode-se incluir a Tecnologia Pinch, que uma tcnica de anlise sistemtica do comportamento de correntes de processos industriais baseada em fundamentos da termodinmica. amplamente utilizada para definir possveis mudanas no processo para a reduo do consumo de energia. Tambm aplicada para indicar opes para a reduo do consumo de gua de processo em plantas industriais atravs do seu reuso e/ou reciclo. Programao Matemtica Existe uma grande variedade de abordagens de otimizao numrica, que vai desde a simulao de processos com modelos matemticos simples at sofisticados mtodos de programao matemtica. O propsito do procedimento (por exemplo, minimizar a emisso de efluentes ou maximizar o potencial econmico do processo) representado pela chamada funo objetivo. O seu valor maximizado ou minimizado atravs de um processo de otimizao que deve satisfazer restries de igualdade, representadas, por exemplo, por equaes de balano material e de energia, equaes impostas para o processo e restries termodinmicas. H tambm restries de desigualdade que podem ser de natureza ambiental (concentrao de alguns poluentes deve ser menor que um certo nvel), tcnica (temperatura, presso e/ou vazo no

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devem ultrapassar um determinado valor) e termodinmica (valores positivos da fora motriz em processos de transporte de massa e energia). A nfase maior do presente texto voltada para a emisso de efluentes aquosos lquidos. Duas revises bibliogrficas enfocando trabalhos que tm este assunto como principal preocupao podem ser vistas em Gomes (2002) e Delgado (2003). Dentre os mtodos utilizados regularmente, predominam os baseados em Programao Matemtica e os Procedimentos Algortmicos (Pinch/Anlogos). O grupo dos Mtodos baseados em Programao Matemtica engloba uma grande variedade de abordagens de otimizao numrica, que vai desde a simulao de processos com modelos matemticos simples, at mtodos sofisticados de programao matemtica. A grande maioria dos mtodos nesse conjunto tem sua aplicao restrita a problemas com um nico contaminante. O grupo dos Procedimentos Algortmicos tem a sua maioria baseada na Tecnologia do Ponto de Estrangulamento, isto , na Tecnologia Pinch. H ainda alguns algoritmos que utilizam alguns conceitos da Tecnologia Pinch e se utilizam de algumas regras heursticas. Cabe aqui ressaltar que a Tecnologia Pinch ao ser aplicada em problemas com mltiplos contaminantes est baseada em um procedimento grfico de difcil utilizao. Os trabalhos em cada grande grupo de procedimentos ainda podem ser divididos em duas abordagens: (i) anlise de redes de transferncia de massa, utilizando o conceito de fora motriz, e envolvendo processos como absoro, dessoro, troca inica, adsoro, extrao lquido-lquido, lixiviao e stripping; e (ii) anlise de redes de equipamentos que utilizam gua, as quais tambm englobam operaes que utilizam gua que no podem ser consideradas como operao de transferncia de massa, tais como as operaes de lavagem. No conjunto dos mtodos utilizando programao matemtica, Elhalwagi e

Manousiouthakis (1990 a e b) e Papalexandri et al. (1994) desenvolveram um modelo de programao matemtica baseada na rede de transferncia de massa, utilizando 48


programao no-linear inteira mista (MINLP), onde a operao da rede e os custos dos investimentos foram otimizados, sem a decomposio de correntes utilizada em outros trabalhos. Assim as limitaes do procedimento seqencial apresentado so contornadas. Os autores tentaram otimizar simultaneamente o custo de utilidades e o investimento considerando uma superestrutura onde todas as alternativas de transferncia de massa foram consideradas. O modelo foi estendido para abordar o problema de sntese de RTM com mltiplos contaminantes, trocadores de massa reativos e regenerao. Sintetizaram tambm redes de transferncia de massa e redes de trocadores de calor simultaneamente. Entretanto, os exemplos de aplicao so simples, no havendo garantias de que a metodologia funcione em problemas maiores. Cabe notar que, Elhalwagi, autor de diversos trabalhos na rea (por exemplo: Srinivas e Elhalwagi, 1994; Elhalwagi e Manousiouthakis, 1990a e b) afirmou que o sucesso dos mtodos baseados em programao matemtica pode ser afetado por trs fatores: 1 A falha na incorporao de certas configuraes na superestrutura pode resultar na obteno de solues que no a tima; 2 As propriedades da formulao matemtica no linear geralmente dificultam a localizao do timo global; 3 Uma vez que o problema via programao matemtica formulado, o engenheiro de processos removido do desenvolvimento do projeto, ou seja, perde o controle do andamento dos clculos. Alm disso, a aplicao desta abordagem em problemas mais complexos (maiores) faz com que o problema combinatorial e o nmero de equaes a serem resolvidas simultaneamente tomem propores que inviabilizam a sua resoluo. Guarrard e Fraga (1998) apresentaram uma abordagem para sntese de redes de transferncia de massa, com ou sem regenerao, considerando um nico componentechave e resolvendo os problemas no convexos de programao no linear utilizando Algoritmos Genticos (GAs), isto , uma tcnica de otimizao estocstica baseada em conceitos da evoluo natural, que possibilita resolver uma maior diversidade de problemas.

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Doyle e Smith (1997) incorporam conceitos da Tecnologia Pinch no desenvolvimento de um mtodo para especificao da meta de consumo de gua com o mximo reuso, considerando mltiplos contaminantes. Os autores formularam o problema sob o ponto de vista da programao matemtica, definindo as operaes que utilizam gua atravs do conceito do Perfil Limite de gua, introduzido por Wang e Smith (1994). As correntes foram definidas em funo dos limites mximos permitidos de concentrao de entrada e de sada dos contaminantes, que podem ser estabelecidos pela mxima

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